Наука в деталях: победители конкурса «Молодёжь и будущее авиации и космонавтики» в МАИ рассказали о своих проектах

IV Международная неделя авиакосмических технологий «Aerospace science week» началась с молодёжи... Дворец культуры и техники Московского авиационного института (национального исследовательского университета), где через несколько часов должны были дать официальный старт мероприятию, уже с самого утра был наполнен финалистами Всероссийского межотраслевого молодёжного конкурса научно-технических работ и проектов «Молодёжь и будущее авиации и космонавтики».

На стендах, установленных в холле ДКиТ МАИ, красовались графики, фотографии, 3D-модели, расчётные схемы и многие другие «атрибуты» проделанной научной работы. Участники заметно нервничали, ожидая презентации перед экспертами. В этот день профессорско-преподавательский состав МАИ, представители предприятий промышленности должны были решить участь главных призов конкурса — денежных и именных премий. Отметим, что в этом году свою награду — премию имени выдающегося авиаконструктора Юрия Шенфинкеля — учредило для конкурсантов ОКБ Сухого.

Корреспонденту mai.ru удалось побеседовать с некоторыми разработчиками, финалистами конкурса, и выяснить, чем они удивили жюри, чему посвящена и как продвигается их научная работа.

Чистота — залог безопасности

Проблему обеспечения безопасности полётов начали решать в Военно-учебном центре Военно-воздушной академии им. Н. Е. Жуковского. Группа учёных-офицеров разрабатывает пробоотборники топливной жидкости. Устройства позволяют контролировать уровень загрязнения «питания» самолёта.

— Существуют методы контроля чистоты жидкости, но при этом нет чётких способов проверки непосредственно топливной системы, — отмечает в беседе с mai.ru главный разработчик проекта, офицер Военно-воздушной академии им. Н. Е. Жуковского Роман Степанов.

— Мы разработали собственный точечный пробоотборник жидкости. У него есть технический акт внедрения и им заинтересовались многие промышленные компании.

В результате исследований, который провели Роман и его коллеги, выяснилось, что с помощью точечного пробоотборника нельзя иметь достоверную картину загрязнённости всей топливной системы самолёта. Учёные принялись за конструирование и создание полнопоточного пробоотборника.

— При помощи полнопоточного пробоотборника мы отсекаем от целого объёма нормативной жидкости, циркулирующей в системе, часть топлива в специальный «опасный» отсек. Оттуда жидкость извлекается и отправляется на анализ, — поясняет Роман, показывая для наглядности подробное изображение устройства на плакате. — По результатам анализов жидкости мы можем определить качественный состав всего объёма топлива в системе, сделать соответствующие выводы о том, может ли на таком топливе работать воздушное судно. Этот вариант мы запатентовали и теперь дорабатываем конструкцию.

По словам Романа, в академии ведутся предварительные работы по созданию гидромеханического пульсатора жидкости, который сможет эффективно очищать не только топливо, но и всю топливную систему. На трёхмерную модель устройства, напечатанную на 3D-принтере, можно посмотреть прямо здесь, на стенде.

— Механизм создаст пульсации, с помощью которых повысится качество очистки, — отмечает разработчик, протягивая для ознакомления небольшую и очень лёгкую 3D-модель. — Для того чтобы провести исследования в области очистки систем нужно создать стенд для анализа частиц загрязнения в неустановившемся потоке жидкости. Этим мы собираемся заниматься в ближайшее время.

Очистка топливной системы — процесс сложный. При помощи устройств, которые разрабатывает Военно-воздушная академия им. Н. Е. Жуковского, можно проникнуть в замкнутые полости самолёта и эффективно их очистить.

— Мы просто подключаемся к топливной системе, которая имеет сложную геометрическую форму, с помощью наших приборов и происходит очистка, — отмечает Роман.

Отметим, что разработка группы учёных из академии Н. Е. Жуковского находится в числе приоритетных научно-технических работ у Службы безопасности полётов Вооружённых сил Российской Федерации. Также на конкурсе «Молодёжь и будущее авиации и космонавтики — 2017» научный проект был отмечен именной премией Юрия Шенфинкеля II степени ОКБ Сухого.

Верный метод

В номинации «Математические методы в аэрокосмической науке» первое место заняли инженеры-конструкторы из ОКБ Сухого, выпускники МАИ Валентин Мартынов и Александр Рожкин за разработку численного синтеза топологии конструкции летательного аппарата. Свою методику инженеры-конструкторы назвали «Гибридным проектированием».

— Решение новых задач требует нестандартных подходов. В настоящее время, благодаря развитию аддитивных технологий производства открыты широкие перспективы в сфере изготовления ранее принципиально невозможных по своей топологии элементов конструкции, снимая большую часть технологических ограничений, — отмечает в беседе с mai.ru инженер-конструктор Александр Рожкин. — Но данный потенциал во многом не имеет более ограничений кроме излишне консервативного взгляда на проблему разработки новых конструкций. В своем проекте мы использовали иной подход к процессу проектирования — «Гибридное проектирование». Упрощённо, определение гибридного проектирования можно сформулировать как симбиоз численного синтезирования топологии деталей и создания сложных геометрических моделей в едином цикле на основе сочетания возможностей гибкости дизайнерских и точности CAD-программ.

Разработанная методика позволяет получать конструктивно-силовые схемы элементов и агрегатов конструкции летательного аппарата, в которых конструктивный материал распределен наиболее рационально в соответствии с внешними силовыми факторами, соответствуя требованиям минимально возможной массы, максимальной прочности и жесткости.

— Формирование облика деталей проходит аналогично природным процессам, то есть под воздействием внешней среды — силовых факторов — в биологии известным как морфогенез. Если посмотреть на объекты, созданные природой, к примеру, структуры растений и насекомых, кости животных и птиц, то можно заметить, что их топология стремится к идеализированному состоянию равнопрочности, — отмечает инженер-конструктор Валентин Мартынов.

На стенде авторов была отображена схема поиска новой конструкции детали. Был показан опытный образец кронштейна, изготовленный по технологии селективного лазерного спекания и продемонстрированный на международном военно-техническом форуме «Армия-2017» в составе экспозиции ФГУП «ВИАМ».

— На стенде представлен процесс поиска конструктивно-силовой схемы на примере кронштейна, — указывает на изображение на стенде Александр Рожкин. — Постановка задачи выглядит следующим образом: на первом этапе мы определяем объём, в котором будет проводиться синтез. Затем создаём конечно-элементную модель самого объекта и его окружения. Далее определяем расчётную схему, накладываем граничные условия и комбинацию расчётных нагрузок. После решается задача численного синтеза, интерпретируются результаты решения и строится твердотельная CAD-модель кронштейна.

—В нашей методике используются методы топологической и топографической оптимизаций, — добавляет инженер-конструктор Валентин Мартынов.— Прямое применение этих методов не даёт гарантированного решения практической задачи. Для успешного выполнения потребуется решить ряд проблем и учитывать следующие факторы. Например, влияние окружающей конструкции, большая выборка расчётных случаев, определение расчётных схем, интерпретация результатов решения и другие. Таким образом, получение новых конструктивно-силовых схем деталей не оказывается результатом простого нажатия кнопки, а является следствием кропотливой работы.

По словам разработчиков, методика позволяет проводить поиск силовой схемы элементов конструкции летательного аппарата, с учётом возможностей аддитивного производства и традиционных технологий изготовления.

— Наш опыт показывает, что при традиционном способе изготовления конструкция получается легче своего исходного варианта, спроектированного традиционным способом, — отмечает Александр Рожкин. — Но при этом потенциал гибридного проектирования в полной мере не реализуется, так как в силу особенностей технологического процесса в конструкции не соблюдено правило организации короткого пути следования нагрузки от точки приложения к точкам крепления. Выполнение этого правила возможно при использовании аддитивных технологий, и соответственно вес деталей будет еще ниже. Мы стремимся создавать элементы с рациональным распределением материала, то есть с оптимальным соотношением веса и жёсткости в соответствии с характером нагрузки, учитывая требования минимально возможной массы, максимальной прочности и жёсткости.

Авторы поделились своим мнением о перспективах новых технологий производства и проектирования.

— В настоящий момент мы работаем в условиях крайней неопределённости. Существует много вопросов и рисков в области новых способов проектирования и производства. Это новый путь — путь проб и ошибок, — отмечает инженер-конструктор Валентин Мартынов. — Невозможно сразу учесть все факторы при малом количестве исходных данных. Сейчас основной целью мы видим организацию процесса, который позволит быстро проверить и скорректировать гипотезы нашей методики, уточнить технологические аспекты аддитивного производства на практике. Для этого ведутся работы по изготовлению опытных образцов и проведению статических, ресурсных испытаний. Результаты этой работы должны помочь понять, как наладить серийный выпуск элементов планера для перспективных изделий авиационной техники и куда двигаться дальше в эпоху перехода на новый технологический уклад. Учитывая всё вышесказанное, хотим заметить, что в обозримом будущем возникнет потребность в новой специальности, в рамках которой инженер будет обладать качествами и знаниями конструктора, расчётчика и технолога.

Шпаргалка для робота

В подмосковной Балашихе разрабатывается автономная навигационная система для позиционирования робототехнических комплексов в пространстве. Преподаватель Военной академии РВСН им. Петра Великого и главный разработчик проекта «Развитие методов навигационной картографии для контроля позиционирования робототехнических комплексов в пространстве» Владимир Лупанчук создаёт для роботов единое информационное пространство навигационных данных. Основная цель создания навигационной системы — повышение точности позиционирования мобильных робототехнических комплексов в окружающем пространстве. С помощью технического зрения робот способен по воссозданной трёхмерной модели и заложенным в бортовой компьютер координатам и высоте локальных областей распознавать ту область, где находится, и выполнить задание.

— Если представить, что в БЦВК (бортовой цифровой вычислительныйкомплекс — ред.) робота «зашили» всю карту местности, то беспилотникможет иметь некоторые трудности технического характера, так как необходимо соблюдать высокие требования к комплектующим БЦВК, — отмечает в беседе с mai.ru Владимир Лупанчук. — Я предлагаю создать локальные области на карте, которые будут учитываться при формировании траектории движения робота, по ним он будет ориентироваться и уточнять свое положение в пространстве. Тогда не нужно будет перегружать бортовые системы робота.

По словам разработчика, на проработку и создание пространственных моделей локальных областей уйдёт 3 — 4 года. Несколько «локаций» уже создано при помощи подручных средств — данных из интернета, с карт и простых геометрических расчётов.

— Навигационные параметры можно получить из интернета. Есть значения по карте и значения инструментальные, — отмечает Владимир Лупанчук. — Их можно уравнять, применяя оптимальные методы расчёта — например, высоты — получаем оптимальную оценку высоты в точке, где известно значение по карте и в этой же точке есть инструментальное измерение. Если найдём оптимальное соотношение высот, то можно увеличить точность картографических данных в данной точке, что позволяет создать локальную область карты. Затем на эту область накладывается пространственная трёхмерная модель участка местности. Робот,определяя начало локальной области, с помощью технического зрения сканирует местность, сравнивает с тем, что имеется в его бортовом компьютере и уточняет своё местоположение.

У разработчика уже есть готовый научно-методический аппарат, который позволяет создавать такие локальные области. Он помогает совершенствовать уже готовые карты и создавать трёхмерные модели, которые можно заложить в бортовой компьютер беспилотника. Кстати, для сравнения изображений карты и технического зрения, можно использовать нейросети, но это будет уже следующий этап, — резюмирует Владимир Лупанчук.

Его проект стал победителем в номинации «Робототехника, интеллектуальные системы и авиационное вооружение». 

Напомним, что на конкурс «Молодёжь и будущее авиации и космонавтики» было подано около 200 научных работ. Из них в очный финал прошло 100 лучших проектов, которые сформировали интерактивную выставку во Дворце культуры и техники МАИ в день открытия IV Международной недели авиакосмических технологий «Aerospace science week». Всероссийский межотраслевой молодёжный конкурс научно-технических работ и проектов «Молодёжь и будущее авиации и космонавтики» проводится в МАИ уже в девятый раз. За это время конкурс обрёл большую популярность среди молодых учёных, представителей промышленности и бизнеса и вошёл в число самых престижных мероприятий в научно-технической сфере.